南海岛礁珊瑚碎屑颗粒的几何本征研究

珊瑚碎屑颗粒整体形状与表面形态的特殊几何本征,形成了其堆积大孔隙结构与低应力水平颗粒破碎敏感响应机制,成为珊瑚碎屑颗粒不同于一般散体材料的基本特征。基于颗粒几何特征成像与图像处理技术的直接法,引入丰度(AE)和凸度(CP)特征指标,分别表征颗粒轮廓整体形状与棱角度,揭示了珊瑚颗粒形状不规则与棱角突出的几何本证。基于试验数据分析,构建了双指标颗粒形态图谱,揭示了棒片状颗粒含量达到27%,且进一步提出了综合颗粒形状与棱角度特征的几何本证评价方法。同时,采用正态分布分析了珊瑚碎屑颗粒群几何本证,结合变异性指标和偏度值统计参数,初步探讨了珊瑚碎屑颗粒群的几何本证的期望评价方法。     

珊瑚砂填料压缩特性试验研究

珊瑚砂颗粒群堆积的大孔隙特征,使得压缩变形成为珊瑚砂场地的主要工程问题之一。根据不同堆积状态珊瑚砂常规压缩试验,揭示了珊瑚砂初始孔隙比关联性压缩特征,尤其是一般工程荷载应力水平(100~200k Pa)时珊瑚砂压缩性偏低,且初始状态影响较弱;同时,珊瑚砂卸载回弹指数相对压缩指数显著偏低,具有显著塑性变形低压缩性特征;此外,固结试验揭示,珊瑚砂压缩与卸载再压缩固结速率偏快,预期珊瑚砂场地的沉降稳定周期较短。     

岛礁吹填珊瑚砂不排水单调和循环剪切特性试验

南海岛礁工程设施在长期服役过程中可能面临地震和强烈波浪侵袭的风险，了解珊瑚砂的动力特性对于评价岛礁设施在地震作用下的稳定性至关重要。通过对南海某岛礁饱和珊瑚砂开展不排水单调和循环剪切试验，研究了密度和有效围压对珊瑚砂单调剪切应力-应变关系和有效应力路径的影响，揭示了密度、有效围压以及循环应力比对珊瑚砂抗液化强度、动孔隙水压上升和轴向变形的发展规律。试验结果表明：中密和密实珊瑚砂不排水单调剪切试验在50～400 kPa围压范围内都表现出应变硬化现象；珊瑚砂抗液化强度曲线伴随相对密度的增加而提升，伴随有效围压的增大而降低；相同试验条件下，循环荷载作用下珊瑚砂试样的颗粒破碎量小于单调加载。基于多组不同工况下不排水单调和循环三轴试验结果，建立了珊瑚砂不排水相变点正规化静力抗剪强度和液化抵抗强度的关联表达式，该关联表达式的建立对于珊瑚砂抗液化强度的预测有较好的参考作用。     

南海岛礁珊瑚碎屑颗粒的物理性本征

南海珊瑚颗粒是典型高钙质颗粒,不仅具有低硬度特征,其颗粒强度一般小于10MPa,明显低于一般陆源砂性土。珊瑚颗粒的饱和吸水率一般分布在10%~20%,相对石英砂具有更加明显的饱和吸水理性特征。颗粒强度试验研究揭示,南海珊瑚碎屑颗粒强度破坏具有显著的脆性破坏特征,但颗粒强度相对偏低,且数据离散性偏高;珊瑚碎屑颗粒强度与颗粒粒度大小呈一定的负相关特征,符合Weibull颗粒强度分布特征。礁岩碎屑颗粒吸水饱和强度变化较小,软化特征不明显,作为土工构筑物填料的稳定性能良好。此外,细粒填充料颗粒水泥包浆后的强度显著提高,珊瑚混凝土富浆配置为有利于其系统强度增强。     

高炉渣改良填料大型直剪试验分析

将原状高炉渣掺拌粉煤灰分层碾压并重锤夯实作为换填地基的填料,进行分层取样后,以处于干、湿状态下各层土样的混和土作为试样开展大型直剪试验。为了探究高炉渣改良填料的直剪力学特性,以及现有大型直剪仪的不足,对不同法向应力作用下试样的抗剪强度、法向加载板的竖向位移进行了量测,并对试验过程中剪力与剪切位移曲线特性、剪切盒张开状态、完成直剪试验后试样的破碎状态进行了分析。结果表明:因细颗粒不足以填充粗颗粒之间的孔隙,含水量对改良填料力学指标影响很小,改良填料表现为良好的水稳定性;高炉渣改良填料在法向应力小于150kPa时几乎没有黏聚力,而在法向应力大于150kPa时表现出咬合黏聚力;高炉渣混合料直剪试验过程中法向应力越大,初期剪缩量越大,后期剪胀量越小,发生剪胀时对应的剪切位移也越大;在法向应力大于150kPa后,直剪试验的剪胀量有了较大程度的减小,此时剪切面的形成主要以剪切区粗颗粒的剪碎与断裂为主。最后,考虑到现有大型直剪仪随着剪切位移的增加,理论剪切面上的剪切应力与法向应力分布越来越不均匀,且有效剪切面积逐渐减小,为此对大型直剪仪提出了改进建议,使有效剪切面面积保持恒定不变,测试结果与实际情况更加接近,可提高粗颗粒土剪切强度的测试精度。     

钙质砂固结排水剪切特性三轴试验

为给中国南海岛礁吹填钙质砂地基上基础设施提供设计与施工参考,通过一系列三轴试验研究了钙质砂固结排水剪切特性。定性分析了钙质砂应力-应变、体变与应力路径变化规律,非线性拟合试验数据获得了不同特征状态下钙质砂抗剪强度、内摩擦角和孔隙比的归一化表达式及其参数取值,进一步定性分析给出了抗剪强度、内摩擦角和孔隙比的非线性变化特征。研究结果表明：(1)围压小于300 kPa时钙质砂发生应变软化和剪胀;特征状态偏应力随围压或相对密度增大而变大,体变随围压(或相对密度)增大而增大(或减小);钙质砂排水剪切应力路径为一系列平行直线,围压越大应力路径越长。(2)不同相对密度下特征状态抗剪强度(或内摩擦角)具有较好归一性;峰值状态抗剪强度(或内摩擦角)大于相变状态,而相变状态大于临界状态;抗剪强度(或内摩擦角)为量纲一化平均主应力的幂函数(或对数函数),而相对密度对余量内摩擦角的影响随围压增大而减小直至消失。(3)在压缩平面内,特征状态孔隙比随量纲一化平均主应力增加而减小,且不同相对密度下临界状态孔隙比具有较好归一性;特征状态孔隙比可用负指数函数予以表达,该函数的上、下限与特征状态孔隙比实际极限值基本吻合。     

含水率对坡积体路基填料剪切特性影响试验研究

坡积体是由坡面细流的侵蚀、搬运和沉积作用形成的一种土石混合体,含水率对其力学强度特性有重要影响。以陕西汉中略阳坡积体为研究对象,通过大型直剪试验分析坡积体重塑样在不同含水率条件下的应力应变特性、剪切"跳跃"特性、体积应变特性及抗剪强度参数变化规律。调研结果表明：略阳地区坡积体具有分布广、规模大、成因和结构构造复杂等分布特征,物质组成、结构构造和降雨是影响其工程特性的主要因素。室内大型直剪试验结果表明：含水率较低试样的应力-应变曲线可分为线弹性、局部剪切和剪切破坏3个阶段,而含水率较高试样只有前2个剪切阶段;低含水率试样的剪切"跳跃"现象主要发生在剪切初期,高含水率试样主要发生在剪切后期;低含水率试样在低应力下整体表现为剪胀,随着正应力的增加,剪胀量变小,而高含水率试样则表现为剪缩;高应力条件下试样全部表现为剪缩,且剪缩量随着含水率的增加而增大;剪切试样的抗剪强度整体上都是随着含水率的增大而降低,但降低幅度不大;试样的抗剪强度参数用内摩擦角和"等效黏聚力"表征,"等效黏聚力"随着含水率的增加先增大后减小,而内摩擦角则先减小后增大;土石混合填料抗剪强度曲线呈双线性变化。     

高应力下粗砂-结构接触面颗粒破碎影响因素试验研究

为了研究高应力下粗砂与结构接触面的剪切破碎影响因素,采用改装后的RMT-150B试验系统的直剪试验仪进行接触面直剪试验,对高法向应力作用下含水率为0%,8%,16%,24%的粗砂与具有4种不同粗糙度、强度混凝土基底的接触面直剪试验结果进行了分析,结果表明:基底硬度增大,基底硬度与相对破碎率关系曲线趋于下降趋势,相对破碎率减小;相对破碎率随着含水率增加而增加,随粗糙度的增加破碎量减小;法向应力对颗粒破碎影响明显,相对破碎率的增大速率也表现出随法向应力增大而增大的趋势。保持含水率不变,法向应力与颗粒破碎曲线规律性较好;保持基底硬度和接触面粗糙度不变,法向应力与颗粒破碎关系较为离散,总体保持颗粒破碎随法向应力增加而增加。进行方差分析表明:接触面粗糙度对粗砂-混凝土结构接触面剪切破碎的影响较显著;法向应力、基底硬度与含水率对结构接触面剪切颗粒破碎的影响均特别显著,显著性从大到小依次为:砂的含水率、基底硬度、法向应力、接触面粗糙度。针对不同试验所得到的法向应力对颗粒相对破碎率影响规律进行讨论,认为:从零法向应力开始,随法向应力的增大相对破碎率增加速率增大,当剪切应力达到集中段颗粒抗剪破强度后,相对破碎率增加速率随法向应力增加而减小。     

基于试验的受剪波形钢腹板应力状态分析

波形钢腹板梁的剪切强度由腹板的剪切屈曲控制,而既有研究中还缺乏对受剪波形钢腹板梁破坏过程中腹板本身应力状态变化的研究。因此,基于一组大尺寸的波形钢腹板工字梁极限剪切试验结果,对受剪波形钢腹板直至破坏过程中的应力状态进行了分析。验证了波形钢腹板梁的剪切破坏由腹板剪切屈曲导致,按照腹板应力状态的变化规律可以将剪切破坏划分为屈曲前、屈曲时、屈曲后三个阶段,并总结了各阶段的应力状态特征。     

碎石土边坡现场直剪试验及稳定性分析

基于某碎石土边坡处治工程,通过现场剪切试验分析了碎石土边坡在不同含石量的受力状态与破坏机理,并运用现场直剪试验所得相关参数,通过MIDAS/GTS软件,采用强度折减法对比分析了碎石土边坡的稳定性。现场剪切试验表明:碎石土边坡的现场直剪试验依次经历了弹性、屈服、塑性破坏3个阶段;碎石土的抗剪强度受含石量的影响较大,当含石量较大时,碎石土的抗剪强度越大;碎石土的剪切破坏呈塑性破坏,且当垂直荷载较小时(≤88k Pa),碎石土出现持续剪胀现象,当垂直荷载较大时(88k Pa),碎石土出现先剪缩后剪胀现象。碎石土边坡稳定性分析表明:碎石土边坡在地震作用时的稳定性最差;静力条件下碎石土边坡的稳定性最好,降雨后,边坡的稳定性将受到影响。     

周期性饱水砂泥岩混合料剪切特性三轴试验研究

砂泥岩混合料在三峡库区常作为工程填料,对其材料性能的研究在涉水工程中具有广阔的利用前景,因此本文通过三轴试验研究了不同围压下周期性饱水作用对饱和砂泥岩混合料抗剪特性的影响,研究结果表明:随着围压的增大砂泥岩混合料的偏应力峰值、周期性饱水阶段试样的轴向应变以及三轴剪切试验后颗粒破碎率都相应增大。同种围压状态下,砂岩料比掺入20%泥岩颗粒的砂泥岩混合料的强度高,变形小。这为砂泥岩混合填料在涉水工程中的利用提供一定的参考价值。     

砂泥岩混填力学特性试验分析

砂泥岩混合料是砂岩颗粒和泥岩颗粒按一定比例混合的一种常见的填筑土体,因其取材方便而经常被用于水库、路堤、基坑开挖、渠道等实际工程中。本文通过GDS三轴试验系统,对砂泥岩混合土体在不同的砂泥岩颗粒比例、干密度和含水率情况下的强度和变形特性进行了分析。结果表明：低围压时,砂泥岩混合料应力-应变关系曲线表现为应变软化型,随着围压的增加曲线表现为应变硬化型;含水率对砂泥岩混合料应力-应变关系曲线的形态影响不大,偏应力峰值强度随着含水率的增大先增加后减小;干密度较小时,砂泥岩混合料应力-应变曲线表现为应变硬化型,随着干密度的增加,应力-应变曲线形态向应变软化型转变;砂泥岩混合料抗剪强度参数均随干密度的增加而增大;土体抗剪强度参数随砂岩颗粒含量的增加而增加。     

基于熵增定律下粗粒土剪切运动状态分析

为探究粗粒土剪切过程运动状态变化,采用离散元数值模拟与直剪试验,对不同接触方式的粗粒土(棱角型、圆型)剪切过程位移方向趋势、转角进行分析,根据熵增定律定义宏观运动状态混乱度M、混乱系数kn,探讨了剪切过程中粗粒土运动状态变化与力学特性响应。研究结果表明:棱角型接触粗粒土较圆型运动状态混乱度大,剪切系统颗粒整体运动状态相似,按运动状态混乱度可将剪切运动分为涡流区、静止区、水平运动区;随磨圆度(圆型→棱角型)减小,抗剪强度增大,运动状态变化趋势增强,运动状态混乱度、混乱临界位移、混乱系数增加,熵值递增,粗颗粒系统达到平衡态速率增大,整体稳定性增强。     

不同应力路径堆石料大型三轴试验特性研究

对两河口高土石坝的堆石料D3进行等σ3应力路径和等P应力路径的大型三轴试验,研究不同应力路径堆石料的抗剪强度特性和应力-应变关系。结果表明：堆石料的粘聚力C是真实存在的,且抗剪强度呈非线性,而应力路径对堆石料的抗剪强度影响很小;堆石料在低围压具有明显的剪胀,且不同应力路径的应力-应变曲线不同。在试验的基础上计算几个本构模型的模型参数,并分析了模型的适用性,为该工程设计提供力学参数。     

块石含量对土石混合体抗剪强度特性的影响

土石混合体是中巴友谊公路建设堆积体滑坡的主要组成部分,其宏观力学性质与其块石含量密切相关。为得到此类滑坡合理计算参数,基于颗粒流理论及程序,对不同含石量土石混合体进行大型直剪试验研究,揭示土石混合料的强度指标随各主要影响因素的变化规律。研究结果表明,土石混合体剪切特性与相应的土体有很大的差别,均质土剪切过程中表现为剪胀特性并产生应变软化现象,剪切破坏面基本与直剪仪剪切滑动方向相一致;而土石混合体在达到强度极限之前经历一段较长的屈服和应力硬化阶段,剪胀特性不仅与法向应力有关,还与含石量有关,由于块石的存在使得土石混合体的剪切破坏带极不规则,具有分叉及多滑面现象。土石混合体力学特性明显区别于土体的含石量阈值大致为40%,当块石含量小于40%时,土石混合体的内摩擦角及黏聚力随含石量变化不大,且与相应土体强度参数相近;当含石量大于40%时,土石混合体的内摩擦角随含石量的增加近线性增大,黏聚力较相应土体有很大程度的降低;但当块石含量大于60%时黏聚力随着块石含量的增加变化较小。     

位移幅值对砾石-格栅界面循环剪切特性的影响

由于加筋土结构经常受到动荷载的作用，因此筋土界面的动力剪切性能也越来越受到重视；但目前筋土界面的动力剪切试验往往循环次数很少，一般只有10多次，不能充分反映筋土界面的动力相互作用。采用大型动态直剪仪，在剪切位移幅值分别为1、2、4、6 mm时，对砾石-格栅界面进行了2 000次水平循环直剪试验，分析了剪切位移幅值对筋土界面剪切应力、竖向位移以及颗粒破碎的影响，揭示了筋土界面相互作用的机理。结果表明：在循环剪切过程中，界面平均峰值剪切应力先增加后减小；剪切位移幅值越大，达到界面峰值强度所需的循环次数越少，而达到界面残余强度所需的循环次数越多，较大的剪切位移幅值会使得砾石-格栅界面的剪切应力衰减现象更显著；随着剪切位移幅值的增大，试样最终剪缩量增大，但试样最终剪缩量增量逐渐减小；随着剪切位移幅值增大，界面剪切刚度逐渐减小，界面阻尼比却逐渐增大；通过对循环剪切试验后的砾石颗粒各粒组含量进行分析，发现剪切位移幅值越大，颗粒的相对破碎率也越大，相对颗粒破碎率与剪切位移幅值呈较好的对数关系，并与试验结果吻合较好。     

橡胶-砂颗粒混合物压缩特性与胶结退化试验

为揭示轻度胶结橡胶-砂颗粒混合物的压缩特性和胶结退化过程,通过室内一维压缩试验、剪切波速测试和扫描电镜检测,对比分析混合物的应力-应变特征和刚度演化规律,研究颗粒间胶结作用、砂掺量等对试样密度、残余应变、剪切波速和小应变剪切模量的影响,同时定性评价压缩后胶结混合物微观结构特征,探讨轻度胶结刚-柔性颗粒混合物的受力变形机制。试验结果表明：橡胶-砂颗粒混合物密度随砂掺量增加呈线性增加趋势;少量胶结物质添加可有效减小压缩变形和残余应变,胶结试样的加载压缩曲线可分为胶结控制、胶结退化和应力控制3个阶段,残余应变与砂掺量间呈指数减小关系;颗粒间胶结作用在高应力条件下退化完全,胶结试样剪切波速表现出与未胶结试样相似的变化规律;相同砂掺量与应力条件下,胶结试样具有较高的小应变剪切模量,压缩过程中小应变剪切模量的演化规律与剪切波速类似;颗粒间胶结在荷载作用下首先发挥作用并逐渐退化,当刚性颗粒（砂颗粒）含量较低时,混合物的受力介质主要为柔性颗粒（橡胶颗粒）,颗粒空间位置无显著改变;当刚性颗粒含量较高时,荷载作用下刚性颗粒会发生一定的滑移和滚动,形成相互接触的受力链以承受荷载,柔性颗粒则可阻止受力链倾覆与倒塌。     

基于钢渣+橡胶颗粒的新型填料抗剪强度特性试验

为了研究基于钢渣+橡胶颗粒的新型填料抗剪强度特性,采用全自动三轴仪开展考虑橡胶颗粒掺入比和橡胶颗粒粒径影响的固结排水试验,分析新型填料的应力、应变特性、破坏偏应力特征和抗剪强度指标等随橡胶颗粒掺入比和橡胶粒径影响的变化规律,并将新型填料的抗剪强度指标与传统土类的抗剪强度指标进行对比;最后,采用邓肯-张模型模拟新型填料的本构模型,分析邓肯-张模型参数,评价邓肯-张模型模拟新型填料本构模型的优劣。结果表明:橡胶掺入比为10%的新型填料密度与传统土类相近,抗剪强度指标则相对较高,可应用于软土地基换填处理,也可替换砂土应用于一些回填工程中;当橡胶掺入比为10%,橡胶粒径为2~4mm时,新型填料的抗剪强度最高,且因橡胶颗粒含量较高,孔隙比较大,透水性好,新型填料可用于边坡挡土墙的回填料;新型填料主要用于浅层回填,轴向应力不大,采用邓肯-张模型模拟新型填料的本构模型能够恰到好处地发挥其优势,但邓肯-张模型无法反映橡胶颗粒含量较高的新型填料的剪胀特性,凸显了邓肯-张模型模拟新型填料的劣势。新型填料抗剪强度特性的试验研究成果和本构模型的理论分析结果可为新型填料工程应用提供理论参考和施工指导依据。     

Sandwich形加筋土筋土界面的循环剪切特性

针对循环剪切作用对Sandwich形加筋土界面剪切特性影响研究不足的状况,采用室内大型直剪仪对Sandwich形加筋土进行了一系列循环直剪试验。试验所用的筋材为土工格栅,砂为福建标准砂,黏土为含水率为28%的重塑黏土,分别在竖向应力为30,60,90kPa,剪切位移幅值为3,6,9mm,剪切速率为1,2,5,10mm·min~(-1),薄砂层厚度分别为4,6,8,10,12,14mm时,研究了剪切速率、薄砂层厚度、循环剪切幅值和竖向应力等因素对Sandwich形加筋土筋土界面循环剪切特性的影响。试验结果表明:在薄砂层厚度由2mm增加到14mm的过程中,界面的峰值剪应力呈现出先增大后减小的现象,峰值剪应力先由54.3kPa增加到67.9kPa,然后又减小到59.4kPa,薄砂层厚度为8mm时筋土界面峰值剪应力达到最大值67.9kPa;当剪切速率为1 mm·min~(-1)时,筋土界面主要表现出剪切硬化现象,且在前几个循环周次,峰值剪应力增幅较大,随着循环周次的增加,增幅逐渐减小;当剪切速率大于1 mm·min~(-1)时,筋土界面表现出剪切软化现象,且剪切速率越大,软化现象越明显;在剪切幅值从3mm增加到9mm的过程中,循环剪切时筋土界面的剪胀、剪缩交替现象越来越明显,并且剪切幅值越大,界面最终剪缩量也越大;竖向应力为30,60,90,120kPa时,筋土界面对应的峰值剪应力分别为32.6,43.2,60.4,82.9kPa,表明随着竖向应力的增加,筋土界面的峰值剪应力也随之增加。     

含石量对千枚岩土石混合体剪切特性影响的颗粒流数值模拟

以湖北宜巴高速咸池沟大桥下游处渣场中的千枚岩弃渣为研究对象，结合室内大型三轴试验，基于离散元软件PFC 3D,建立了大型三轴剪切试验数值模型，从宏观和细观角度分析了含石量对土石混合体剪切特性的影响以及试样变形破坏的机理。试验结果表明：试样的内摩擦角随含石量的增加而增加，黏聚力则随着含石量的增加呈现出先增加后减小的趋势，在50%含石量处取得最大黏聚力；剪切过程中试样的体应变表现为先剪缩后剪胀，含石量越高，剪胀性越强；从细观尺度上揭示了土石混合体在剪切中变形破坏的机理，初期的剪缩是由于加载板向下移动，试样被压密、高度减小所致，剪切中后期试样中部的颗粒朝向与竖直方向呈约45°的方向向两侧运动，形成两个共轭剪切带，试样在宏观上表现剪胀，随着含石量的增加，试样中部颗粒运动的速度更快，宏观表现出的剪胀性越显著。